JP2001256987A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

高分子電解質型燃料電池

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 セパレータのガス通流溝に水滴が閉塞するこ
とで、燃料電池の性能が低下する。 【解決手段】 水素イオン伝導性高分子電解質膜41
と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む位置に
配置した一対の電極42,43とを具備した単電池を、
前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、他
方に酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流通路4
5を形成した一対の導電性セパレータ44を介して積層
した高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータ
のガス通流路45の表面に、レジスト材料で構成した凸
部48を形成する。 【効果】化学反応の結果、ガス通流溝に発生した水滴を
効率よく燃料電池の外部に排出する。反応ガスが安定し
て均一に通流する高分子電解質型燃料電池を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池に関するものであり、特に単電池を構成するセパ
レータの反応ガス通流溝の構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1は、高分子電解質型燃料電池の単電
池の基本構成の概略を示す断面図である。水素イオン伝
導性高分子電解質膜11の両側に、燃料極12と酸化剤極
13とを配置する。さらにその両外側に、燃料極12に燃
料ガス、酸化剤極13に酸化剤ガスをそれぞれ供給する複
数本の反応ガス通流溝15と、冷却水を通流して電池を
適正温度に維持するための冷却水流通溝16とを備えた
セパレータ14を、反応ガス通流溝15が燃料極12あ
るいは酸化剤極13に面するように配置し、ガスシール
体17により気密に保持して単電池を構成する。
【0003】図2は、図1の構成の単電池を積層して構
成される燃料電池積層体の構成を概略的に示した側面図
である。複数の単電池21を積層し、その両端に集電板
22を配置し、さらにその外側に電気絶縁の機能を果た
す絶縁板23を配置し、締付板24で挟み、締付ボルト
25、皿バネ26、締付ナット27を用いて締め付け、
加圧して保持する。
【0004】図3は、単電池を構成するセパレータ31
を、電極側から見た概略側面図である。セパレータ31
の電極領域32に面する中央部には、複数本のガス通流溝
33を平行に配置する。外部より供給される反応ガス、
すなわち水素等の燃料ガス、あるいは空気等の酸化剤ガ
スは、上部に設けられた ガス入口34より入口側マニ
ホールド35へと送られ、分配され、ガス通流溝33を
上流側から下流側へ通流し、下部のガス出口36から外
部に排出される。
【0005】高分子電解質膜には、スルホン酸基を有す
るポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜
として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸とポリ
ビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロカーボ
ンマトリクスにトリフロロエチレンをグラファイト化し
たもの、パーフロロカーボンスルホン酸(米国デュポン
社製、商品名;ナフィオン膜)等が用いられる。これら
の高分子電解質膜は分子中にプロトン(水素イオン)交
換基を備えており、飽和に含水された状態で比抵抗が常
温で20Ωcm以下となり、プロトン導電性電解質とし
て機能する。膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変
化する。
【0006】燃料極と酸化剤極は、ともに触媒層とこれ
を支持する電極基材とからなり、触媒層を固体高分子電
解質膜に密着させて配置し、燃料極に燃料ガスである水
素を、酸化剤極に酸化剤ガスである酸素あるいは空気を
供給すると、それぞれの触媒層と固体高分子電解質膜と
の界面に三相界面が形成され、以下の電気的な化学反応
が起こる。
【0007】 (1) H2→2H++2e- ・・・・・・・ 燃料極 (2) 2H++1/2O2+2e-→H2O ・・・・ 酸化剤極 この反応では、水素と酸素が反応して水が生成する。触
媒層は一般に微小な粒子状の白金触媒と撥水性を備えた
フッ素樹脂で形成し、反応ガスが三相界面まで効率的に
拡散できるように細孔を形成する。なお、この反応によ
り各単電池で発生する電圧は0.7ボルト程度であるた
め、実用的な電圧に高めるために、図2に示したよう
に、多数の単電池を積層して燃料電池積層体を形成して
使用する。
【0008】また、高分子電解質膜の比抵抗を小さくし
て発電効率を高く維持するために、通常70〜90℃の
運転温度で用いられる。前述したように、高分子電解質
型燃料電池においては、高分子電解質膜を飽和に含水さ
せることにより膜の比抵抗が小さくなり、膜はプロトン
導電性電解質として機能する。従って、高分子電解質型
燃料電池の発電効率を維持するためには、膜の含水状態
を飽和に維持することが必要となる。このため、反応ガ
スに水を供給して反応ガスの湿度を高めて燃料電池へ供
給することにより、膜からガスへの水の蒸発を抑えて、
膜の乾燥を防止する方法が採用されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
化学反応式(1)、(2)で示したように、燃料電池の
発電に際して、反応生成物として水が生成され、この反
応生成水は余剰の反応ガスとともに燃料電池の外部に排
出される。このため、単電池内の反応ガスに含まれる水
分の量が反応ガスの流れ方向で差異を生じ、反応ガスの
上流側すなわち入口側に比べ、下流側すなわち出口側で
反応生成水に相当する量だけ多量に水分が含まれること
となる。
【0010】このために膜の含水状態を飽和に維持する
ために飽和状態に加湿した反応ガスを単電池に供給する
と、出口側では水蒸気が過飽和となり、水滴となって混
在する。この様に反応ガス中に液体状態の水滴が含まれ
ることになると、水の表面張力が大きいために反応ガス
通流路となるセパレータのガス通流溝に水滴となって停
滞し、さらには通路を塞いでガスの流れを阻害する事態
が生じる。この傾向は多量の水分が存在するセパレータ
下流側で顕著であり、その結果、反応ガスの供給量が不
足したり、電池特性の低下をもたらす可能性がある。
【0011】本発明は上記した従来技術の問題点を考慮
してなされたものであり、本発明の目的は、化学反応の
結果、ガス通流溝に発生した水滴を効率よく燃料電池の
外部に排出する手段を提供し、反応ガスが安定して均一
に通流する高分子電解質型燃料電池を実現することにあ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導
性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解
質膜を挟む位置に配置した一対の電極とを具備した単電
池を、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出
し、他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流
通路を形成した一対の導電性セパレータを介して積層し
た高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータの
ガス通流路の表面に、レジスト材料で構成した凸部を形
成したことを特徴とする。
【0013】このとき、ガス通流路において、レジスト
材料で構成した凸部の表面積が、ガス流通の方向に対し
て上流側から下流側に向かって大きくなっていることが
有効である。
【0014】また、レジスト材料の水に対する接触角が
90度よりも小さいことが有効である。
【0015】また、ガス流通の方向に対して上流側と下
流側で異なるレジスト材料で凸部を形成したことが有効
である。
【0016】このとき、上流部に配置したレジスト材料
の水に対する接触角が90度より大きく、下流部に配置
したレジスト材料の水に対する接触角が90度より小さ
いことが有効である。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明は、高分子電解質膜からな
る電解質層の両主面に電極層を配置し、さらにその両外
面にガス通流溝を備えたセパレータを配置して単電池と
し、この単電池を積層して燃料電池積層体を形成し、一
方のセパレータのガス通流溝に燃料ガス、また他方のセ
パレータのガス通流溝に酸化剤ガスを通流する固体高分
子電解質型燃料電池において、セパレータのガス通流溝
表面に、レジスト材料で構成される凸部が形成されてい
ることを特徴とする。上記の構成によって、凸部が形成
されない場合と比べると、実際の表面積が向上するため
に、生成水はセパレータ表面とより小さな接触角を成し
て水滴となる。
【0018】これは以下の作用による。図10(a)
は、通流溝に凸部が形成されていない場合の、水滴と通
流溝表面及びそれらを取り巻く気体(今回の場合は水素
または酸素)の力学的な平衡状態を示す図である。通流
溝表面の表面エネルギーをγs、水滴の表面エネルギー
をγL、通流溝表面と水滴の界面エネルギーをγSLとし
た場合、水滴、通流溝表面及び気体は(式1)の関係を
示し、この式から水滴の接触角θが決定される。
【0019】一方、図10(b)は通流溝に凸部が形成
された場合の水滴と通流溝表面及び気体の力学的な平衡
状態を示す図である。通流溝表面の表面エネルギーをγ
s、水滴の表面エネルギーをγL、通流溝表面と水滴の界
面エネルギーをγSLとし、また(式3)で示される見か
けの表面積Saに対する実際の表面積Sbの割合をrで表し
た場合、水滴、通流溝表面及び気体は(式2)の関係を
示し、この状態に於いては通流溝表面/水滴界面及び通
流溝表面/気体界面の表面積が大きくなるために、水
滴、通流溝表面及び気体の関係式は(式2)になり、そ
の結果、水滴の接触角は凸部が形成されていない場合に
比べ、小さくなることによる。
【0020】
【数1】
【0021】
【数2】
【0022】
【数3】
【0023】この作用によって水滴は、ガス通流溝を閉
塞するほどの水滴には成長せず、通流溝の表面を伝っ
て、ガス通流溝に留まることなく、所定の流路まで導か
れることになり、生成水の排水効率が向上し、反応ガス
が安定して通流するようになり、高分子電解質型燃料電
池の性能の悪化を抑えることが可能になる。
【0024】また本発明の燃料電池は、ガス通流溝にお
いて、レジスト材料で占有される表面積がガス通流溝の
上流側と下流側で異なることを特徴とする。セパレータ
の上流側と下流側では前記したように水分量が異なるわ
けであるが、前記構成によって上流側及び下流側でそれ
ぞれ効率的な排水に適した接触角を与えることができ、
水滴は通流溝に留まることなく、所定の流路まで導かれ
ることになり、反応ガスが安定して通流するようにな
り、固体高分子電解質型燃料電池の性能の悪化を抑える
ことが可能になる。
【0025】また、本発明の燃料電池は、ガス通流溝の
下流側でのレジスト材料の占有表面積がガス通流溝上流
側でのレジスト材料の占有表面積に比べ大きいことを特
徴とする。前記構成によって、上流側ではより撥水性が
強調され、通流溝表面からの束縛力が緩和されるため
に、上流側の少量の水は効率よく下流側に運ばれ、また
下流側では前記した同様の作用により水滴は通流溝表面
と小さな接触角を成すために、下流側にたまった大量の
水は通流溝壁面に広がって所定の流路まで導かれること
になり、生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安定し
て通流するようになり、高分子電解質型燃料電池の性能
の悪化を抑えることが可能になる。
【0026】また、本発明の燃料電池は、レジスト材料
の水に対する接触角が90度よりも小さいことを特徴と
する。前記構成によって、(式2)に従って、下流側で
は水滴の接触角がより小さくなるために、下流側にたま
った大量の水は壁面に広がって所定の流路まで導かれる
ことになり、生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安
定して通流するようになり、固体高分子電解質型燃料電
池の性能の悪化を抑えることが可能になる。
【0027】また、本発明の燃料電池は、セパレータの
ガス通流溝の上流側表面には第1のレジスト材料で構成
される凸部が設けられ、ガス通流溝の下流側表面には第
2のレジスト材料で構成される凸部が設けられているこ
とを特徴とする。セパレータの上流側と下流側では前記
したように水分量が異なるわけであるが、前記構成によ
って上流側及び下流側でそれぞれ効率的な排水に適した
接触角を与えることができ、水滴は通流溝に留まること
なく、所定の流路まで導かれることになり、反応ガスが
安定して通流するようになり、固体高分子電解質型燃料
電池の性能の悪化を抑えることが可能になる。
【0028】このとき、第1のレジスト材料の水に対す
る接触角が90度より大きく、第2のレジスト材料の水
に対する接触角が90度より小さいことを特徴とする。
前記構成によって、(式2)に従って、セパレータ上流
側ではより撥水性が強調され、通流溝表面からの束縛力
が緩和されるために、上流側の少量の水は効率よく下流
側に運ばれ、また下流側では同じく(式2)に従って、
水滴は通流溝表面とより小さな接触角を成すために、下
流側にたまった大量の水は通流溝壁面に広がって所定の
流路まで導かれることになり、生成水の排水効率が向上
し、反応ガスが安定して通流するようになり、固体高分
子電解質型燃料電池の性能の悪化を抑えることが可能に
なる。
【0029】以上のセパレータを作成するためには、レ
ジスト材料をネガタイプの材料とし、これによって、光
遮光部下に位置する集電部上のレジストは完全に未硬化
状態になるので、洗浄によって完全に除去することがで
きるので、セパレータ自体の導電性は損なわれることは
なく、固体高分子電解質型燃料電池の性能の低下を回避
できる。そして、セパレータのガス通流溝表面にレジス
ト材料の塗膜を設ける第1の工程と、該セパレータに光
遮光部と光開口部を有するマスクを平行に配置する第2
の工程と、レジスト塗膜にマスクを介して光を照射しレ
ジストを硬化させる第3の工程と、セパレータを洗浄し
レジスト未硬化部を取り除く第4の工程と、固体高分子
電解質膜からなる電解質層の両主面に電極層を配置し、
その両方の外側に前記第1から第4の工程を経て作製し
たセパレータを該セパレータのガス通流溝が電極層側を
向くように配置する第5の工程とを含む製造方法で行う
ことができる。
【0030】前記製造法によって、セパレータのガス通
流溝にレジスト材料からなる凸部を効率よく形成するこ
とができる。これはマスクの光開口部を通して光が照射
される部分ではレジストが硬化し、またマスクで光が遮
光される部分ではレジストは未硬化のまま存在し、また
未硬化レジストは洗浄工程で完全に除去されるためであ
る。
【0031】また、セパレータのガス通流溝表面にレジ
スト材料の塗膜を設ける第1の工程と、該セパレータに
光遮光部と光開口部を有するマスクを平行に配置する第
2の工程と、レジスト塗膜にマスクを介して光をマスク
及びセパレータに対して斜め方向から照射しレジストを
硬化させる第3の工程と、セパレータを洗浄しレジスト
未硬化部を取り除く第4の工程と、固体高分子電解質膜
からなる電解質層の両主面に電極層を配置し、その両方
の外側に前記第1から第4の工程を経て作製したセパレ
ータを該セパレータのガス通流溝が電極層側を向くよう
に配置する第5の工程とを含む製造方法を用いることが
できる。
【0032】前記製造法によって、セパレータのガス通
流溝表面の全面にわたりにレジスト材料からなる凸部を
効率よく形成することができる。これはマスクの光開口
部を通して光が斜め方向から入射することになり、マス
ク側から見て垂直面のみならず側面にも光が照射される
ため、通流溝の全ての面に光が照射されるために、全面
にわたりレジスト材料が硬化し、一方マスクで光が遮光
される部分ではレジストは未硬化のまま存在し、また未
硬化レジストは洗浄工程で完全に除去されるためであ
る。
【0033】さらに、セパレータのガス通流溝表面にレ
ジスト材料の塗膜を設ける第1の工程と、該セパレータ
に光遮光部と光開口部を有するマスクを斜めに配置する
第2の工程と、レジスト塗膜にマスクを介して光を照射
しレジストを硬化させる第3の工程と、セパレータを洗
浄しレジスト未硬化部を取り除く第4の工程と、固体高
分子電解質膜からなる電解質層の両主面に電極層を配置
し、その両方の外側に前記第1から第4の工程を経て作
製したセパレータを該セパレータのガス通流溝が電極層
側を向くように配置する第5の工程とを含む製造方法を
用いることができる。
【0034】前記製造法によって、セパレータのガス通
流溝表面により微細化したレジスト材料からなる凸部を
効率よく形成することができ、排水効率が向上する。こ
れはマスクが通流溝表面に対して一定の角度を成して配
置されているために、マスクと通流溝表面の成す角度を
θとした場合、光開口部の面積はCOSθ倍になるために
レジスト凸部は微細化し全体として表面積が増大するた
めである。
【0035】このとき、マスクには光遮光部と光開口部
を設け、セパレータの集電部に位置する部分には光遮光
部が、通流溝に位置する部分には光遮光部と光開口部が
存在するように配置する。この構成によって、セパレー
タの集電部は完全にレジストが除去されるために集電部
の導電性が損なわれることがないので、導電性の低下に
よる電池性能の低下を抑えることができる。
【0036】また、通流溝に位置する部分の光開口部ま
たは光遮光部の占有面積がセパレータ通流溝の上流側と
下流側で異なる製造方法を用いることができる。ことを
特徴とする。この構成によって、セパレータ通流溝の上
流側と下流側で、ガス通流溝において、レジスト材料で
占有される表面積を変えることができ、水滴は通流溝に
留まることなく、所定の流路まで導かれることになり、
反応ガスが安定して通流するようになり、固体高分子電
解質型燃料電池の性能の悪化を抑えることが可能にな
る。
【0037】これは、セパレータの上流側と下流側では
前記したように水分量が異なるわけであるが、前記構成
にすることによって、上流側及び下流側でそれぞれ効率
的な排水に適した接触角を与えることができるためであ
る。
【0038】また、本発明の燃料電池は、マスクの光開
口部の占有面積が上流側から下流側に向かうほど光開口
部の占有面積が大きくすることを特徴とする。この構成
によって、セパレータのガス通流溝でのレジスト材料の
占有表面積がガス通流溝上流側から下流側に向かうにつ
れて大きくすることができ、従って、上流側ではより撥
水性が強調され、通流溝表面からの束縛力が緩和される
ために、上流側の少量の水は効率よく下流側に運ばれ、
また下流側では前記した同様の作用により水滴は通流溝
表面と小さな接触角を成すために、下流側にたまった大
量の水は通流溝壁面に広がって所定の流路まで導かれる
ことになり、生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安
定して通流するようになり、高分子電解質型燃料電池の
性能の悪化を抑えることが可能になる。
【0039】また、本発明の燃料電池は、レジスト材料
の水に対する接触角が90度よりも小さいことを特徴と
する。前記構成によって、(式2)に従って、下流側で
は水滴の接触角がより小さくなるために下流側にたまっ
た大量の水は壁面に広がって所定の流路まで導かれるこ
とになり、生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安定
して通流するようになり、高分子電解質型燃料電池の性
能の悪化を抑えることが可能になる。この製造法は、レ
ジストをネガタイプの材料にすることで、光遮光部下に
位置する集電部上のレジストは完全に未硬化状態になる
ので、洗浄によって完全に除去することができるので、
セパレータ自体の導電性は損なわれることはなく、高分
子電解質型燃料電池の性能の低下を回避できる。
【0040】
【実施例】以上説明した本発明の構成及び作用をより明
らかにするために、図面を参照しながら本発明の形態を
実施例に基づき以下に説明する。
【0041】(実施例1)まず、本実施例のポイントで
あるセパレータの作成方法について説明する。図7は、
本発明の高分子電解質型燃料電池の実施例1に関わるセ
パレータの通流路の表面に、レジスト材料からなる凸部
を設ける工程を示した概念図である。
【0042】図7の(a)に示したように、セパレータ
71としてカーボン粉末とフェノール樹脂を混合したも
のを一定の金型に入れ加圧状態で、加熱形成したものを
用い、このセパレータをポリビニルアルコール系のネガ
型レジストに1分間浸漬した後、取り出し通流路にレジ
スト塗膜72を設けた。続いて、図7の(b)に示した
ように、通流溝の存在する面に一定間隔で遮光部と光透
過部を有する光学マスク73を設置し、光源に超高圧水
銀灯を用いてマスク面から光74を照射した。その後、図
7の(c)に示したように、マスクを取り外し現像した
後、純水で洗浄し、110℃で焼成し、通流溝の側面の
うち、マスク面に対し垂直に位置する面にレジスト材料
からなる凸部75を設けた。こうして完成したレジスト凸
部の水に対する接触角を測定したところ、接触角は65
゜であった。
【0043】つぎに、上述のセパレータを用いた水素イ
オン伝導性高分子電解質型燃料電池の作製方法を説明す
る。図4(a)は、本実施例の高分子電解質型燃料電池の
構成要素である単電池の分解断面図であり、図4(b)は
セパレータ通流溝の構造を概略的に示す拡大図である。
【0044】高分子電解質膜41を挟持する燃料極42
と酸化剤極43との両外面に、前述のセパレータの通流
路45、つまりは通流路の側面のうち、マスク面に対し
垂直に位置する面にレジスト材料からなる凸部を有する
セパレータ44を、反応ガス通流溝45が燃料極42あ
るいは酸化剤極43に面するように配置した後、ガスシ
ール体47で気密に保持する。本実施例では、高分子電
解質膜41として、ナフィオン膜(デュポン社製)を用
いた。
【0045】一般的に、高分子電解質膜41の含水状態
を飽和に維持するために、飽和状態に加湿して供給する
反応ガスの水分、及び燃料電池の発電に際し生成した反
応生成水が、過飽和状態となって液化し、セパレータ4
4の反応ガス通流溝に水滴として付着する事態が生じる
ことが考えられる。しかし、本構成では、反応ガスの通
流路45の表面には、レジスト材料からなる凸部48を
設け、表面積が増大しているために、表面の濡れ性が強
調され、水滴は小さな接触角で通流路表面に広がるた
め、ガス通流溝を閉塞するほどの水滴には成長しない。
従って、通流路の表面を伝ってガス通流ろに留まること
なく、所定の流路まで導かれることになり、反応ガスの
供給が、不足する危険性が回避され、反応ガスが安定し
て均一に通流することとなる。
【0046】なお、図4に示した構成では、セパレータ
に冷却水通流溝46を設けて単電池を冷却しているが、
これに限るものでなくセパレータ以外の別途構成部品に
この冷却機能を持たせてもよい。
【0047】(実施例2)まず、セパレータの作成方法
について説明する。 図8は本実施例で作成したセパレ
ータの通流路の表面に、レジスト材料からなる凸部を設
ける工程を示した概念図である。
【0048】まず、図8(a)に示したように、セパレ
ータ81としてカーボン粉末とフェノール樹脂を混合し
たものを、一定の金型に入れ加圧状態で、加熱形成した
ものを用意し、このセパレータをポリビニルアルコール
系のネガ型レジストに1分間浸漬した後、取り出し通流
溝にレジスト塗膜82を設けた。続いて、図8(b)に
示したように、通流路の存在する面に一定間隔で遮光部
と光透過部を有する光学マスク83を設置し、光源に超
高圧水銀灯を用いてマスク面からマスク面に対して入射
角+45゜及び−45゜の光84を同時に照射した。そ
の後、図8(c)に示したように、マスクを取り外し、
現像した後、純水で洗浄し、110℃で焼成し、通流溝
の側面の全面に渡りレジスト材料からなる凸部85を設け
た。尚、こうして完成したレジスト凸部の水に対する接
触角を測定したところ、接触角は65゜であった。
【0049】図5(a)は、本実施例の燃料電池の構成要
素である単電池の分解断面図であり、図5(b)はセパレ
ータ通流溝の構造を概略的に示す拡大図である。
【0050】高分子電解質膜51を挟持する燃料極52
と酸化剤極53の両外面に、前記のセパレータの通流路
55、つまりは通流溝の側面全面にわたりレジスト材料
からなる凸部を有するセパレータ54を、反応ガス通流
溝55が燃料極52 あるいは酸化剤極53に面するよ
うに配置し、ガスシール体57で気密に保持た。
【0051】本実施例では、高分子電解質膜51とし
て、ナフィオン膜(デュポン社製)を用いた。本構成に
おいては、セパレータ54の反応ガス通流溝に水滴とし
て付着する事態が生じても、反応ガス通流溝55の表面
にはレジスト材料からなる凸部58が設けられ、表面積
が増大しているために、表面の濡れ性が強調されるた
め、水滴は小さな接触角をなして通流溝表面に広がるた
め、ガス通流溝を閉塞するほどの水滴には成長せず、通
流溝表面を伝ってガス通流溝に留まることなく、所定の
流路まで導かれることになり、反応ガスの供給が不足す
る危険性が回避され反応ガスが安定して均一に通流する
こととなる。なお、図5に示した構成においては、セパ
レータに冷却水通流溝56を設けて単電池を冷却してい
るが、これに限るものでなくセパレータ以外の別途構成
部品にこの冷却機能を持たせてもよい。
【0052】(実施例3)図9は、本発明の燃料電池の
セパレータの通流溝表面にレジスト材料からなる凸部を
設ける工程を示す概念図である。図9(a)に示したよ
うに、セパレータ91としてカーボン粉末とフェノール
樹脂を混合したものを一定の金型に入れ加圧状態で、加
熱形成したものを用意し、このセパレータをポリビニル
アルコール系のネガ型レジストに1分間浸漬した後、取
り出し通流溝にレジスト塗膜92を設けた。続いて図9
(b)に示したように、通流溝の存在する面に一定間隔
で遮光部と光透過部を有する光学マスク93をセパレー
タ及び通流溝に対して+45゜の角度をなして設置し、
光源に超高圧水銀灯を用いてマスク面からセパレータ及
び通流溝に対して垂直に光94を照射した。その後、図9
(a)に示したように、マスクを取り外し、現像した
後、純水で洗浄し、110℃で焼成し、通流溝の側面の
全面に渡りレジスト材料からなる凸部95を設けた。
【0053】尚、こうして完成したレジスト凸部の水に
対する接触角を測定したところ、接触角は65゜であっ
た。
【0054】図6(a)は、本発明の燃料電池の単電池の
分解断面図であり、図6(b)はセパレータ通流溝の構造
を概略的に示す拡大図である。高分子電解質膜61を挟
持する燃料極62と酸化剤極63の両外面に、前記の方
法に従って作製した通流路65、つまりは通流溝の側面
全面にわたり、レジスト材料からなる凸部を有するセパ
レータ64を、反応ガス通流溝65が燃料極62あるい
は酸化剤極63に面するように配置し、ガスシール体6
7で気密に保持した。
【0055】本実施例では、高分子電解質膜61とし
て、ナフィオン膜(デュポン社製)を用いた。本構成に
おいては、反応ガス通流溝65の表面には、レジスト材
料からなる凸部68が設けられ、表面積が増大している
ために、表面の濡れ性が強調される。このため、水滴は
小さな接触角をなして通流溝表面に広がるため、ガス通
流溝を閉塞するほどの水滴には成長せず、通流溝表面を
伝ってガス通流溝に留まることなく、所定の流路まで導
かれることになり、反応ガスの供給が不足する危険性が
回避され反応ガスが安定して均一に通流することとな
る。なお、図6に示した構成においては、セパレータに
冷却水通流溝66を設けて単電池を冷却しているが、こ
れに限るものでなくセパレータ以外の別途構成部品にこ
の冷却機能を持たせてもよい。
【0056】(実施例4)セパレータの通流路における
光開口部の占有割合を、下流側に向かうにつれ大きくな
るマスクに変えた以外は、実施例1と全く同じ操作によ
って高分子電解質型燃料電池を作製した。
【0057】本構成においては、高分子電解質膜の含水
状態を飽和に維持するために飽和状態に加湿して供給す
る反応ガスの水分、及び燃料電池の発電に際し生成する
反応生成水が、過飽和状態となって液化し、セパレータ
の反応ガス通流溝に水滴として付着する事態が生じて
も、上流側ではより撥水性が強調され、通流溝表面から
の束縛力が緩和されるために、上流側の少量の水は効率
よく下流側に運ばれる。同時に、下流側では前記した同
様の作用により水滴は通流溝表面と小さな接触角を成す
ために、下流側にたまった大量の水は通流溝壁面に広が
って所定の流路まで導かれることになり、生成水の排水
効率が向上し、反応ガスが安定して通流するようにな
る。
【0058】以上の効果により、反応ガスの供給が不足
する危険性が回避され反応ガスが安定して均一に通流す
ることとなる。なお、本構成においては、セパレータに
冷却水通流溝を設けて単電池を冷却しているが、これに
限るものでなくセパレータ以外の別途構成部品にこの冷
却機能を持たせてもよい。
【0059】(実施例5)セパレータの通流路に設ける
レジスト材料を、上流側にはアクリル系の第1のレジス
ト材料に、また下流側にはポリビニルアルコール系の第
2のレジスト材料に変えた以外は、実施例1と全く同じ
操作によって、高分子電解質型燃料電池を作製した。
【0060】こうして完成したレジスト材料の凸部の水
に対する接触角を測定したところ、第1のレジスト材料
で95゜、第2のレジスト材料で65゜であった。本構
成においては、高分子電解質膜の含水状態を飽和に維持
するために飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水
分、及び燃料電池の発電に際し生成された反応生成水の
水分が、過飽和状態となって液化し、セパレータの反応
ガス通流溝に水滴として付着する事態が生じても、上流
側ではより撥水性が強調され、通流溝表面からの束縛力
が緩和されるために、上流側の少量の水は効率よく下流
側に運ばれ、また下流側では前記した同様の作用により
水滴は通流溝表面と小さな接触角を成す。このために、
下流側にたまった大量の水は通流溝壁面に広がって所定
の流路まで導かれることになり、生成水の排水効率が向
上し、反応ガスが安定して通流するようになり、反応ガ
スの供給が不足する危険性が回避され反応ガスが安定し
て均一に通流することとなる。なお、本構成において
は、セパレータに冷却水通流溝を設けて単電池を冷却し
ているが、これに限るものでなくセパレータ以外の別途
構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。
【0061】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、高分子電
解質型燃料電池で、セパレータのガス通流路の表面に、
レジスト材料で凸部を構成する。このとき、前記レジス
ト材料の水に対する接触角を90゜以下とし、レジスト
材料の占有表面積がガス通流溝上流側から下流側に向か
って大きくする、また、各セパレータのガス通流溝の上
流側表面には水に対する接触角が90度より大きい第1
のレジスト材料で構成される凸部を、ガス通流溝の下流
側表面には水に対する接触角が90度より小さい第2の
レジスト材料で構成される凸部を設けることで、反応ガ
ス通流溝での水滴による閉塞が抑制され、反応ガスが安
定して均一に通流する固体高分子電解質型燃料電池が得
れれることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】高分子電解質型燃料電池の構成要素である単電
池の基本構成の概略を示す断面図
【図2】単電池を積層して構成する燃料電池積層体の構
成を概略的に示す側面図
【図3】単電池を構成するセパレータを電極側から見た
概略側面図
【図4】本発明の第1の実施例である高分子電解質型燃
料電池に用いた単電池の概略図
【図5】本発明の第2の実施例である高分子電解質型燃
料電池に用いた単電池の概略図
【図6】本発明の第3の実施例である高分子電解質型燃
料電池に用いた単電池の概略図
【図7】本発明の第1の実施例で用いたセパレータの作
成工程を示した概念図
【図8】本発明の第2の実施例で用いたセパレータの作
成工程を示した概念図
【図9】本発明の第3の実施例で用いたセパレータの作
成工程を示した概念図
【図10】セパレータの通流路の表面での水滴の力学的
つり合いを示す概念図
【符号の説明】
11 高分子電解質膜 12 燃料極 13 酸化剤極 14 セパレータ 15 ガス通流路 16 冷却水流通路 17 ガスシール体 21 単電池 22 集電板 23 絶縁板 24 締付板 25 締付ボルト 26 皿バネ 27 締付ナット 31 セパレータ 32 電極領域 33 ガス通流路 34 ガス入口 35 マニホールド 36 ガス出口 41 高分子電解質膜 42 燃料極 43 酸化剤極 44 セパレータ 45 ガス通流路 46 冷却水通流路 47 ガスシール体 48 レジスト凸部 51 高分子電解質膜 52 燃料極 53 酸化剤極 54 セパレータ 55 ガス通流溝 56 冷却水通流溝 57 ガスシール体 58 レジスト凸部 61 高分子電解質膜 62 燃料極 63 酸化剤極 64 セパレータ 65 ガス通流溝 66 冷却水通流路 67 ガスシール体 68 レジスト凸部 71 通流路 72 レジスト塗膜 73 レジスト凸部 74 マスク 75 光 81 セパレータ通流路 82 レジスト塗膜 83 レジスト凸部 84 マスク 85 光 91 セパレータ通流路 92 レジスト塗膜 93 レジスト凸部 94 マスク 95 光 101 通流路表面 102 水滴 103 気体 104 凸部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記
    水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む位置に配置した
    一対の電極とを具備した単電池を、前記電極の一方に水
    素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に酸素を含む酸化
    剤ガスを供給排出するガス流通路を形成した一対の導電
    性セパレータを介して積層した高分子電解質型燃料電池
    において、前記セパレータのガス通流路の表面に、レジ
    スト材料で構成した凸部を形成したことを特徴とする高
    分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】ガス通流路において、レジスト材料で構成
    した凸部の表面積が、ガス流通の方向に対して上流側か
    ら下流側に向かって大きくなっていることを特徴とする
    請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】レジスト材料の水に対する接触角が90度
    よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載
    の高分子電解質膜型燃料電池。
  4. 【請求項4】ガス流通の方向に対して上流側と下流側で
    異なるレジスト材料で凸部を形成したことを特徴とする
    請求項1に記載の高分子電解質膜型燃料電池。
  5. 【請求項5】上流部に配置したレジスト材料の水に対す
    る接触角が90度より大きく、下流部に配置したレジス
    ト材料の水に対する接触角が90度より小さいことを特
    徴とする請求項4に記載の高分子電解質型燃料電池。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003077487A (ja) * 2001-09-05 2003-03-14 Hitachi Chem Co Ltd 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池
WO2005117180A1 (ja) * 2004-05-31 2005-12-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法
JP2006179455A (ja) * 2004-11-25 2006-07-06 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタック
JP2020087664A (ja) * 2018-11-22 2020-06-04 キヤノンマシナリー株式会社 流路及び燃料電池

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